Биоэнергетика сердца

 

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ЛЕКЦИЯ

НА ТЕМУ: «БИОЭНЕРГЕТИКА СЕРДЦА»

РАПОВЕЦ В.А., врач-кардиолог

СОДЕРЖАНИЕ

Общие положения

Вступление

Аэробное  окисление глюкозы  и ЖК

Митохондрии

Транспорт Е                                                                                                        Заключение

Общие положения

      Современная кардиология немыслима без изучения процессов на молекулярном и субмолекулярном  уровнях. Только благодаря современным  тонким методам исследования стали  возможны открытия в области такой науки, как биоэнергетика сердца.

      Одна  из функций, присущих всему живому, - способность к энергообеспечению за счет тех или иных внешних энергетических ресурсов. Это и изучает биоэнергетика. Само слово вошло  в обиход с легкой руки А. Сцепт – Дьерди, прославившегося в свое время выделением первого витамина – аскорбиновой кислоты. Так называлась небольшая книжка,опубликованная       А.Сцепт–Дьерди в 1956 г. В этом труде было множество увлекательных мыслей и гипотез, но испытание 
временем выдержало лишь слово, вынесенное автором на обложку.

      Сначала в некоторых биологических центрах  появились лаборатории, отделы биоэнергетики (отдел МГУ был создан в 1965 г.). Затем с конца 60-х годов стали  издаваться журналы и сборники, пошли  симпозиумы, конференции, курсы под этим названием.Ивотсегодня биоэнергетика 
– одно из популярных научных направлений со своим кругом идей, объектов и методов, своими лидерами и соперничающими школами; словом, - интернациональный организм, живущий и развивающийся по собственным законам.

      Вслед за известными успехами этой ветви  биологии пришла мода и появилась тенденцияписать слово «биоэнергетика» во всех случаях, где идет речь об энергетическом аспекте живыхсуществ, невзирая на степень их сложности. В этом смысле первым биоэнергетиком нужно признать Платона, размышлявшего о судьбе пищи в организме. Что же до современных исследователей, пытающихся добыть точные сведения о биологических преобразователях Е, то их правильнее 
называть «молекулярными биоэнергетиками».

      Сейчас  непосредственно о биоэнергетике сердца.

Вступление

      Энергетический  метаболизм клеток сердца включает в  себя 3 раздела:

      1–й  раздел: процессы аэробного окисления глюкозы и ЖК, которые приводят к образованию АТФ в митохондриях;

      2–й  раздел: процесс внутриклеточного транспорта Е;

      3–й  раздел: реакции использования Е:

      а) для сокращения миофибрилл;

      б) перенос ионов против градиента  их концентрации через клеточные  мембраны;

      Примечание. Эти два процесса взаимосвязаны и их рассмотрим вместе 
 
 

      Сейчас  перейдем к первому большому разделу: образованию энергии. 

1–й  раздел: процессы аэробного окисления глюкозы и ЖК

      Источником  биологической Е для организма  служит пища, в которой эта Е заключенав химических связях сложных соединений, главным образом, - в связях С-С и С-Н.

      Биохимические процессы, производящие Е, можно подразделить на 2 группы:

      1-я  группа: процессы, идущие с поглощением О2 воздуха;

      2-я  группа: без доступа кислорода.

      Биологический синтез любой химической связи требует  в 3 раза больше Е, чем может образоваться при простом расщеплении подобной связи. Поэтому организм прибегает к обходному пути, чем достигает больший кпд.

      Аэробный  путь был открыт в 30-х годах Энгельгардтом  и назван окислительным фосфорилированием, потому что на промежуточных этапах окисления освобождающаяся Ефиксируется в  пирофосфатных связях молекул АТФ и других соединений. Эти связи Энгельгардт назвал макроэргическими – т.е., высокоэнергетическими. АТФ и ее аналоги играют роль универсального аккумулятора Е в организме. В этом соединении Е концентрируется в удобной форме, пригодной для 
утилизации. Процессы, идущие с выделением Е, связаны с синтезом АТФ. Процессы с поглощением Е сопряжены с расщеплением АТФ. Таким образом, АТФ выступает связующимзвеном    между ними. Благодаря АТФ, 2 процесса расчленяются во времени. Это придает Е-обмену большую гибкость. Е – законсервирована и может расходоваться в любое время и на любые нужды.

      АТФ не только посредник, но и депо Е. Во время работы количество АТФ уменьшается, идут реакции гликолитического фосфорилирования: увеличиваются АДФ, АМф, фосфат неорганический. После нагрузки уровень АТФ восстанавливается.

      Роль  запаса Е и донора фосфатов для АТФ играет также другой макроэрг – КФ. КФ не поставляет Е для клетки, а обменивает свой фосфат с АТФ. Реакция протекает по уравнению:                                  

Креатин + АТФ      кфк            КФ + АДФ

      При энергообразовании реакция идет вправо, идет запас КФ. При потреблении  Е – влево – увеличение АТФ. Все субклеточные структуры сердца, которые потребляют Е (миофибриллы, 
мембраны), - содержат КФК (ММ - изофермент), сопряженную с АТФ –азными    реакцими.

      Аэробный  путь энергетически более выгодный. Первые его этапы совпадают с гликолизом– до стадии образования ПВК. Но в присутствии О2 ПВК не превращается в МК, авступае т в цикл    трикарбоновых кислот Кребса. В цикле Кребса при окислении пирувата образуется 1 макроэргическая связь, сохраняемая в молекуле ГТФ, который передает ее на АТФ.  Такоефосфорилирование 
называется субстратным.

     Вся остальная Е, содержащаяся в субстратах цикла Кребса передается без потерь на ферменты НАД и НАДФ, и фиксируется в их эфирных связях.

     Дальнейшее  окисление этих коферментов   через флавиновые ферменты и цитрохромную систему называется терминальным. Это самый выгодный участок дыхательной цепи,так какздесь идет больше всего реакций окислительного фосфорилирования. Здесь образуется 3 молекулярных АТФ. Таким образом, Е субстратов цикла Кребса переходит в Е АТФ.

     Почти все остальные субстраты имеют  неуглеводную природу:- аминокислоты, ЖК, -подвергаясь ферментативным превращениям, образуют либо метаболиты цикла Кребса, или А –Ко – А (активированная форма уксусной кислоты).

     В итоге – превращение Е идет или с окислением ПВК или АКоА. 1 молекула ПВК дает 15макроэргических связей.

     Сейчас  рассмотрим, как работают митохондрии.  

     Митохондрии

     Функцию выработки и сохранения Е в клетке несут митохондрии. Грин назвал митохондрии биохимическими машинами, которые трансформируют и консервируют Е. Они составляют 25– 30% всей массы миокарда. Форма их зависит от вида клеток. Митохондрии сердца имеют цилиндрическую форму, расположены между миофибриллами и в непосредственной близости к ним, 
так как тесный контакт облегчает обмен АТФ.

     Это твердые тельца, окруженные гидрофильным золем и заключены в оболочку с избирательной проницаемостью. Мембраны – две. Внешняя – гладкая. Внутренняя образует выпячивания. Палад назвал их кристами. От наружной мембраны внутрь, к центру отходят гребни. Они разделяют митохондрии на камеры, заполненные матриксом. В митохондриях клеток миокарда, гдеинтенсивно идет Е- обмен, число крист – наибольшее. Количество матрикса отражает побочные 
функции митохондрий. В миокарде его мало. Наружная мембрана и гребни состоят из ЛП и ФЛ.

     Киндэй  и Шнейдер в 1948 г. нашли в митохондриях полный набор ферментов для циклаКребса. Грин, Рихтерих в 50-х годах обнаружили ферменты для окисления Б, Ж, У до субстратов цикла Кребса. Наконец, Чейнс, Вильямс показали, что ферменты терминального окисления (цитохромы, НАД) находятся только в митохондриях. Ферменты находятся в строгом порядке, одни – растворены, другие – прочно связаны со структурным белком.

      Побочная  функция митохондрий – синтез своих структурных белков и некоторых  ферментов. Цитохромы, дегидрогеназы  поступают от рибосом, извне.

      Митохондрии в работе клетки – самое слабое звено. Они очень чувствительны на любоевоздействие, особенно, на кислородную недостаточность. Первичной реакцией является торможение окислительного фосфорилирования, называемое мягким разобщением. Это включение свободного окисления.

      В 60-х годах Митчел создал хемиоосмотическую  теорию, по которой окислительное  фосфорилирование есть перенос е*, р*, Н*  во вне через мембрану, способную создавать и удерживатьтаким образом мембранный потенциал. Этот потенциал и регулирует распределение ионов, в том 
числе, и возможность обратного входа Н* для синтеза АТФ. Сильные нарушения движения ионоввызывает изменение  РН. При свободном же окислении потенциала нет, и весь поток Е идет по короткому пути, в обход фосфорилирующих реакций, без синтеза АТФ. е*   быстро переносится с восстановителя на окислитель.

      Скулачев  в 1962 г. показал, что свободное окисление  – вынужденная мера, энергетическиона не выгодна.

      При заболеваниях сердца митохондрии страдают сильнее. Переключение реакций на свободное  окисление уменьшает Е – снабжение. В далеко зашедших случаях подавляется и свободноеокисление. Визуально наблюдается набухание митохондрий, что приводит к нарушению высокойорганизации внутренней структуры. Нарушается расположение ферментов и проницаемость мембраны. Возникает порочный круг, так как для восстановления структуры необходим приток Е. 
АТФ выходит из митохондрий и не может быть использована миофибриллами. Наступает необратимое разрушение мембраны и гребней. При гипертрофии сердца митохондрии вначале набухают, 
затем уменьшаются в размерах. Кристы исчезают. Появляются жировые включения.

      Функция митохондрий зависит от РН клетки. В кислой среде, когда РН ниже 6,6, - фосфорилирование тормозится, мембраны набухают. Это обратимо. В более кислой среде митохондрии 
сморщиваются. В щелочной среде митохондрии набухают.

      При воздействии КА митохондрии сокращают  свои размеры, и буквально, забиты кристами. Таким образом, любое  патологическое состояние ведущее к нарушению обмена веществ (гипоксия, ацидоз, алкалоз, гиперметаболизм) – ведет к обратимому, либо к необратимому повреждению митохондрий.

      Главными  источниками Е для миокарда являются: глюкоза, лактаты и свободные ЖК. В незначительной степени участвуют кетотела (< 10%).

      Как же меняется Е-обмен при различных экстремальных условиях? Нормально функционирующее сердце использует для энергетических целей различные субстраты, в выборе которыхсердце весьма лабильно.В условиях покоя важнейшим источником Е является глюкоза крови, (до 30 %).Утилизация

глюкозы миокардом, в основном, определяется не ее концентрацией, а содержанием  инсулина.

При мышечной работе потребление глюкозы уменьшается  – до 10%. Организм экономит глюкозу 
для мозга и других органов. А при повышении концентрации глюкозы в крови утилизация ее миокардом возрастает. Окисление жира при этом снижается.